畢紅軍

[1.中國(guó)石化勝利油田有限公司 臨盤采油廠, 德州 251507； 2中國(guó)石油大學(xué)(華東), 青島 266580]

注水井油管在油田開(kāi)采過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用,然而受油管自身材料以及注入水的品質(zhì)等因素的影響，注水井油管的性能也會(huì)隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化。為確保服役過(guò)程中油管的安全，需要對(duì)其力學(xué)性能及化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

殘余應(yīng)力是油管斷裂的重要因素，故測(cè)量殘余應(yīng)力具有重要意義。目前，普遍采用的方法包括應(yīng)力松弛法(如盲孔法[1-3])和無(wú)損檢測(cè)法[4-7]，其中盲孔法因精度高、理論完善等優(yōu)點(diǎn)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但僅適用于表面殘余應(yīng)力的測(cè)量。殘余應(yīng)力的盲孔法測(cè)量執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)包括ASTM E837—2001 《通過(guò)鉆孔應(yīng)變計(jì)測(cè)量殘余應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、GB/T 31310—2014 《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 鉆孔應(yīng)變法》和CB/T 3395—2013 《殘余應(yīng)力測(cè)試方法 鉆孔應(yīng)變釋放法》等，該方法較為成熟。

注水油管的腐蝕問(wèn)題日益突出[8]，這與油管自身材料及水的品質(zhì)有關(guān)。電化學(xué)腐蝕測(cè)試技術(shù)是基于電化學(xué)原理對(duì)油管進(jìn)行腐蝕性能測(cè)試的方法，保障了注水井油管的安全性，避免了相關(guān)安全隱患的發(fā)生，被廣泛應(yīng)用于油田系統(tǒng)的金屬腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域[9]。 然而，該方法并不適用于非導(dǎo)體材料，可借助水接觸角法進(jìn)行非導(dǎo)體材料的腐蝕性能評(píng)價(jià)[10]。

筆者采用盲孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，用電化學(xué)腐蝕測(cè)試及水接觸角法結(jié)合的方式進(jìn)行腐蝕性能測(cè)試，對(duì)不同材料的注水井油管進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，為油田注水井油管的選用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選取鍍滲鎢合金油管(1#油管試樣)、普通油管(2#油管試樣)、防垢油管(3#油管試樣)和玻璃纖維增強(qiáng)塑料油管(4#油管試樣)，并分別截取試樣(見(jiàn)圖1)。

圖1 不同油管試樣宏觀形貌

1.2 殘余應(yīng)力測(cè)試

采用GB/T 31310—2014標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試油管外表面的殘余應(yīng)力。

1.3 電化學(xué)腐蝕測(cè)試

采用CS310H型電化學(xué)工作站對(duì)1#，2#，3#油管試樣進(jìn)行原位電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程使用的電解池為標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，在測(cè)試溫度下，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位為0.241 V，對(duì)電極為碳棒，工作電極為試樣。腐蝕溶液為NaCl溶液, 開(kāi)路電位采集頻率為10 Hz，采集時(shí)間設(shè)置為60 min，達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為10 min內(nèi)上下波動(dòng)不超過(guò)10 mV。交流阻抗測(cè)試阻抗譜頻率設(shè)置為10-2～105Hz。水樣溫度為80 ℃。

1.4 水接觸角測(cè)試

研究表明，材料表面能越低、接觸角越大，則污垢結(jié)晶成核勢(shì)壘越大、成核速率越低，防結(jié)垢性能則越好。取鹽霧腐蝕試驗(yàn)后的1#，3#，4#油管試樣，其中鹽霧箱溫度穩(wěn)定在47 ℃，低鹽水密度為(50±10) g/L，pH為6.5～7.2，噴霧壓力為1 MPa，鹽霧腐蝕時(shí)間為24 h，使用光學(xué)接觸角儀進(jìn)行純水接觸角測(cè)試。主要測(cè)試鹽霧腐蝕試驗(yàn)后水在試樣表面的接觸角，用于判斷腐蝕的程度，尤其用于對(duì)比玻璃纖維增強(qiáng)塑料管材試樣與其他金屬管材試樣的抗腐蝕結(jié)垢性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 殘余應(yīng)力測(cè)試

4種油管的盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)點(diǎn)分布于油管的外表面，均發(fā)現(xiàn)有不同程度的殘余應(yīng)力，這與油管成型和后期加工等工藝處理有關(guān)。殘余應(yīng)力對(duì)油管的承載、腐蝕等有重大影響，需要限制在一定范圍內(nèi)。參照標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1394—2011 《高抗擠套管》，殘余應(yīng)力應(yīng)低于152 MPa，才能保證套管的抗擠毀等安全性能[11]。測(cè)試結(jié)果表明，1#鍍滲鎢合金油管試樣的殘余應(yīng)力最大，超過(guò)高抗擠套管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的152 MPa，3#防垢油管試樣的殘余應(yīng)力最小。4個(gè)油管試樣的殘余應(yīng)力從大到小依次為：1#油管試樣、2#油管試樣、4#油管試樣、3#油管試樣。

表1 4種油管的盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

2.2 腐蝕測(cè)試

2.2.1 水的品質(zhì)測(cè)試

按照SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試注入水的品質(zhì)，結(jié)果如表2所示，測(cè)試油田水的總礦化度為24 684.4 mg/L。

表2 注入水的品質(zhì)測(cè)試結(jié)果 mg/L

2.2.2 電化學(xué)性能測(cè)試

浸泡試驗(yàn)過(guò)程中，每隔24 h對(duì)試樣進(jìn)行EIS測(cè)試，并結(jié)合等效電路圖(見(jiàn)圖2)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析。電化學(xué)阻抗譜可快速評(píng)價(jià)材料的腐蝕行為，其中R1，R2，CPE分別為溶液電阻、溶液/金屬界面電阻和恒常數(shù)元件[12-13]。R2可作為評(píng)價(jià)不同材料在相同環(huán)境中腐蝕性能的標(biāo)準(zhǔn)，表3為3個(gè)試樣的電化學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。排除1#試樣在72 h內(nèi)的試驗(yàn)誤差后，可以看出：對(duì)于單一試樣，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，R2不斷增大，說(shuō)明試樣的抗腐蝕性能不斷降低。在同一浸泡時(shí)間下，3#油管試樣的R2>1#油管試樣的R2>2#油管試樣的R2，說(shuō)明試樣的抗腐蝕性能從大到小依次為：1#油管試樣、3#油管試樣、2#油管試樣。

表3 3種油管試樣的電化學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果 Ω·cm2

圖2 EIS測(cè)試等效電路圖

圖3為3個(gè)試樣在80 ℃油田水樣環(huán)境中的電化學(xué)阻抗譜。圖中箭頭表示阻抗模值隨反應(yīng)時(shí)間逐步下降，該趨勢(shì)與等效電路數(shù)值模擬的R2一致。隨著材料在油田水樣中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，表面腐蝕產(chǎn)物疏松多孔，無(wú)法抑制腐蝕過(guò)程，疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物下的金屬材料與本體溶液之間溶解氧擴(kuò)散路徑改變，即形成腐蝕產(chǎn)物內(nèi)、外氧氣濃差電池，進(jìn)一步加速了腐蝕產(chǎn)物下的金屬基體腐蝕速率。

圖3 3個(gè)試樣在80 ℃油田水樣環(huán)境中的電化學(xué)阻抗譜

2.2.3 表面純水接觸角測(cè)試

玻璃纖維增強(qiáng)塑料油管耐酸堿腐蝕，但玻璃纖維增強(qiáng)塑料為非導(dǎo)體，故不能用電化學(xué)等試驗(yàn)評(píng)價(jià)其抗腐蝕性能。對(duì)1#油管試樣、3#油管試樣、4#油管試樣進(jìn)行鹽霧腐蝕后的水接觸角測(cè)試，結(jié)果如表4所示。 4#油管試樣的接觸角最大，且數(shù)據(jù)相對(duì)集中，說(shuō)明該管材的防結(jié)垢性及抗腐蝕性最好，其次是1#油管試樣。3#油管試樣的接觸角最小，說(shuō)明防垢油管腐蝕嚴(yán)重，最易于結(jié)垢。由此可知，鍍滲鎢合金油管的抗腐蝕性和防結(jié)垢性優(yōu)于防垢油管。這3個(gè)油管試樣的抗腐蝕性從大到小依次為：4#油管試樣、1#油管試樣、3#油管試樣。

表4 3個(gè)油管試樣的表面水接觸角測(cè)試結(jié)果 (°)

結(jié)合電化學(xué)腐蝕測(cè)試及水接觸角測(cè)試，可知4種油管的抗腐蝕性從大到小依次為：4#油管試樣、1#油管試樣、3#油管試樣、2#油管試樣。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 由殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知，4種油管的殘余應(yīng)力從大到小依次為：鍍滲鎢合金油管、普通油管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料油管、防垢油管。

(2) 結(jié)合電化學(xué)腐蝕測(cè)試及水接觸角測(cè)試，4種油管的抗腐蝕性從大到小依次為：玻璃纖維增強(qiáng)塑料油管、鍍滲鎢合金油管、防垢油管、普通油管。